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王祖耀

(武漢華中數(shù)控股份有限公司，湖北武漢 430223)

摘要：隨著數(shù)控技術(shù)和無(wú)線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，兩者廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中的各個(gè)方面。針對(duì)數(shù)控機(jī)床中狀態(tài)、統(tǒng)計(jì)、診斷等小數(shù)據(jù)采集傳輸過(guò)程中，為解決現(xiàn)有無(wú)線技術(shù)的傳輸距離、信號(hào)強(qiáng)度、成本等問(wèn)題,將NB-IoT技術(shù)支持海量連接、廣覆蓋、低成本的特性應(yīng)用于機(jī)床聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。測(cè)試結(jié)果表明該系統(tǒng)可穩(wěn)定傳輸所采集的數(shù)據(jù)。通過(guò)基于NB-IoT的機(jī)床物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，為機(jī)床提供了經(jīng)濟(jì)高效聯(lián)網(wǎng)方案。

關(guān)鍵詞：NB-IoT；數(shù)據(jù)采集；機(jī)床聯(lián)網(wǎng)

近年來(lái)，我國(guó)已經(jīng)成為世界第一機(jī)床消費(fèi)大國(guó)和數(shù)控機(jī)床進(jìn)口大國(guó)。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是未來(lái)制造業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，應(yīng)用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的企業(yè)能夠占得先機(jī)。隨著數(shù)字化、智能化浪潮來(lái)襲，現(xiàn)通過(guò)無(wú)線通訊的方式，使機(jī)床上云布局來(lái)提高產(chǎn)品質(zhì)量、提升生產(chǎn)效率和優(yōu)化生產(chǎn)過(guò)程已經(jīng)成為各企業(yè)的共識(shí)。通過(guò)應(yīng)用物聯(lián)、云服務(wù)、大數(shù)據(jù)等關(guān)鍵技術(shù)，采集數(shù)控機(jī)床從設(shè)計(jì)、生產(chǎn)到機(jī)床整機(jī)調(diào)試，用戶交機(jī)使用全生命周期數(shù)據(jù)，建立機(jī)床檔案數(shù)據(jù)管理，全生命周期信息追溯。為用戶提供遠(yuǎn)程設(shè)備監(jiān)控、生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)管理、設(shè)備運(yùn)行維護(hù)服務(wù)。本文所討論的NB-IoT技術(shù)是一種革新性技術(shù),相比目前商用的2G/3G/4G及其他無(wú)線技術(shù)，它支持海量連接、深度覆蓋能力、超低功耗、穩(wěn)定可靠、低成本及架構(gòu)優(yōu)的特性?；?NB-IoT技術(shù)的機(jī)床聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，更好地解決現(xiàn)已運(yùn)用的各類無(wú)線技術(shù)如WiFi、藍(lán)牙、M2M、Zigbee等傳輸距離短、覆蓋區(qū)域局限、信號(hào)穿透力差、通信易受干擾問(wèn)題；同時(shí)也解決有線組網(wǎng)中布線復(fù)雜、設(shè)備節(jié)點(diǎn)有限、成本高的問(wèn)題[1-3]。

1 系統(tǒng)總體構(gòu)架及原理

基于NB-IoT技術(shù)的機(jī)床聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)如圖1所示，數(shù)控機(jī)床將采集的各類信息通過(guò)以太網(wǎng)傳給NB-IoT裝置，裝置對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行接收與分析后，通過(guò)射頻天線發(fā)送給運(yùn)營(yíng)商基站轉(zhuǎn)發(fā)到云平臺(tái)上，用戶即可在PC端或手機(jī)APP端查閱到關(guān)于數(shù)控機(jī)床采集到的數(shù)據(jù)信息。

2 基于NB-IoT硬件設(shè)計(jì)

基于NB-IoT硬件設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。包括上位機(jī)(機(jī)床數(shù)控系統(tǒng))、以太網(wǎng)RJ45接口、網(wǎng)絡(luò)變壓器、百兆PHY芯片、MCU(微控制器)、DC-DC(電源轉(zhuǎn)換芯片)、電平轉(zhuǎn)換電路、NB-IoT模組及eSIM卡、SMA射頻連接器及NB頻段專用天線。下文將具體介紹各個(gè)模塊的硬件實(shí)現(xiàn)。

(1)百兆以太網(wǎng)模塊。本系統(tǒng)采用的是PULSE網(wǎng)絡(luò)變壓器，搭配TI的DP83848單路10/100 M以太網(wǎng)PHY芯片，支持自動(dòng)協(xié)商模式。微控制器則采用了STM32F107系列MCU，不僅成本低廉，且?guī)в蠷GMII接口物理連接方式與以太網(wǎng)PHY芯片相連。當(dāng)上位機(jī)將數(shù)據(jù)打包通過(guò)以太網(wǎng)發(fā)送給MCU后，MCU對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行接收并處理，再將數(shù)據(jù)打包成指定的格式發(fā)往下一處理程序。

(2)UART電平轉(zhuǎn)換模塊。由于MCU引腳為+3.3 V電平，而NB模組引腳為+1.8 V電平，所以通過(guò)UART電平轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行兩者之間的數(shù)據(jù)通信。采用同晶體管來(lái)搭建的電平轉(zhuǎn)換電路，串口傳輸速率較低，晶體管即可滿足傳輸特性需求，且簡(jiǎn)易實(shí)用、成本低廉。

(3)NB模組模塊。本系統(tǒng)采用的移遠(yuǎn)BC26模組，BC26模組提供豐富的外部接口(UART，SPI，ADC等)和協(xié)議棧(UDP/TCP，CoAP，LWM2M，MQTT等)，支持全頻段，同時(shí)也支持移動(dòng)、電信、阿里云等物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，超低功耗，尺寸緊湊。采用電信NB-IoT的eSIM貼片卡，直接集成到板卡上，無(wú)需外置卡槽。當(dāng)接收到來(lái)自MCU的數(shù)據(jù)信號(hào)后，NB-IoT模組對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析打包，通過(guò)SMA射頻連接器送到NB-IoT專用天線，將數(shù)據(jù)外發(fā)至運(yùn)營(yíng)商基站轉(zhuǎn)送到云平臺(tái)上。

(4)DC-DC電源模塊。本系統(tǒng)采用TI的TPS54-331芯片，具有寬輸入范圍，可調(diào)節(jié)電壓，內(nèi)部集成MOS，效率高，欠壓過(guò)壓及過(guò)流保護(hù)等優(yōu)勢(shì)。為保證采集數(shù)據(jù)在信號(hào)處理和傳輸過(guò)程中，不被電源上的噪聲所干擾,保證NB-IoT模組供電電源和MCU及周邊電路的供電電源紋波較小。在電源引腳上使用RC濾波電路中，添加了固態(tài)電容進(jìn)一步減少電源噪聲對(duì)信號(hào)處理過(guò)程的干擾。

3 固件設(shè)計(jì)和軟件功能實(shí)現(xiàn)

基于NB-IoT固件功能實(shí)現(xiàn)由MCU完成，主要包括系統(tǒng)初始化，以太網(wǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)及發(fā)送，NB-IoT模組數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)及接收。軟件功能實(shí)現(xiàn)由上位機(jī)完成，主要包括全局初始化建立Socket通訊，配置NB模組連接NB網(wǎng)絡(luò)及應(yīng)用服務(wù)器，數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)用程序數(shù)據(jù)收發(fā)。

(1)基于NB-IoT固件設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。在硬件上電后即開始進(jìn)行系統(tǒng)初始化，包括以太網(wǎng)配置，NB-IoT模組配置等。隨后進(jìn)入主程序監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，當(dāng)監(jiān)測(cè)到來(lái)自上位機(jī)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)后，對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析并判斷，提取數(shù)據(jù)打包并發(fā)送到NB-IoT模組，重復(fù)執(zhí)行。當(dāng)監(jiān)測(cè)到來(lái)自NB-IoT模組的數(shù)據(jù)后，產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)中斷，對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析并判斷，提取數(shù)據(jù)打包并發(fā)送到上層網(wǎng)絡(luò)，復(fù)位中斷后重復(fù)監(jiān)測(cè)。MCU溝通于上位機(jī)和NB-IoT模組之間，根據(jù)不同網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)作出不同的信息反饋，根據(jù)接收到兩側(cè)數(shù)據(jù)情況作出不同的信息反饋，扮演了一個(gè)重要的角色。

(2)上位機(jī)功能軟件框圖如圖4所示。上位機(jī)連接硬件設(shè)備后，上電后首先進(jìn)行軟件模塊全局初始化并與MCU建立以太網(wǎng)通訊通道Socket。隨后按NB-IoT聯(lián)網(wǎng)流程一步步對(duì)NB-IoT模組配置使之附著到NB-IoT網(wǎng)絡(luò)上，在這個(gè)過(guò)程中，如出現(xiàn)任何一流程失敗，軟件將重新配置NB-IoT模組聯(lián)網(wǎng)流程。完成附著NB-IoT網(wǎng)絡(luò)后，軟件發(fā)起建立連接上層應(yīng)用服務(wù)器，如果建立失敗即復(fù)位NB-IoT模組重新建立。并行存在的數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)用程序發(fā)起數(shù)據(jù)發(fā)送請(qǐng)求，當(dāng)所有連接成功后，將緩存區(qū)的數(shù)據(jù)遞交給NB-IoT模組發(fā)往云服務(wù)器，完成一次數(shù)據(jù)傳輸。

4 系統(tǒng)聯(lián)調(diào)驗(yàn)證

基于NB-IoT聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)聯(lián)調(diào)部分(主要分為固件調(diào)試和硬件調(diào)試)通過(guò)后，就可聯(lián)合上位機(jī)產(chǎn)品一起進(jìn)行軟件和硬件的聯(lián)調(diào)，再結(jié)合云平臺(tái)數(shù)據(jù)進(jìn)行終端(PC及APP)聯(lián)調(diào)。后期開展硬件可靠性測(cè)試、軟件性能測(cè)試、流程測(cè)試、系統(tǒng)兼容性等測(cè)試，完成基于NB-IoT技術(shù)一體化組合的機(jī)床聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。

(1)固件和硬件完成聯(lián)調(diào)圖如圖5所示。當(dāng)硬件指標(biāo)測(cè)試通過(guò)后，結(jié)合固件進(jìn)行調(diào)試，用PC代替上位機(jī)進(jìn)行手動(dòng)調(diào)試硬件及固件功能，跟據(jù)相關(guān)的指令及要求進(jìn)行在線調(diào)試，如測(cè)試網(wǎng)絡(luò)功能，各項(xiàng)解析處理及NB-IoT數(shù)據(jù)收發(fā)功能等，完成聯(lián)調(diào)。

(2)上位機(jī)結(jié)合云平臺(tái)數(shù)據(jù)完成聯(lián)調(diào)如圖6、圖7所示。當(dāng)固件和硬件完成聯(lián)調(diào)后，結(jié)合上位機(jī)軟件及手機(jī)APP端進(jìn)行聯(lián)調(diào)，將數(shù)控機(jī)床需要采集的數(shù)據(jù)信息通過(guò)NB-IoT聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)上傳到云服務(wù)器，再通過(guò)手機(jī)APP端顯示。

5 結(jié)語(yǔ)

本文給出了低成本、廣覆蓋、海量連接、穿透力強(qiáng)、穩(wěn)定可靠的基于NB-IoT技術(shù)的機(jī)床聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。通過(guò)對(duì)硬件分模塊化可靠設(shè)計(jì)，固件簡(jiǎn)潔高效處理，上位機(jī)軟件功能實(shí)現(xiàn)，分布式進(jìn)行聯(lián)調(diào)及一體化組合測(cè)試，充分驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性、穩(wěn)定性，并驗(yàn)證了該系統(tǒng)高度的兼容性，希望能夠在類似的產(chǎn)品或其他構(gòu)架的產(chǎn)品中得到更廣泛的應(yīng)用。